液晶偏振光栅的设计及其光偏转特性研究

发布时间：2020-07-08 11:37

【摘要】：液晶偏振光栅是一种基于几何相位原理的新型光栅器件,它作用于圆偏振光,具有电光可调性和偏振可调性,其一级衍射效率理论可达到100%,在红外凝视系统、激光扫描系统、偏振成像系统等领域有着广泛的应用前景,被誉为第四代光学元件,具有重要的研究意义和应用价值。但是,目前基于传统的双光束干涉的偏振全息制备方法制备长周期(几十微米以上)光栅较为困难,液晶偏振光栅还存在响应速度慢、存在二级衍射现象等问题,阻碍了其在目标光学系统中的应用,本论文针对这些问题展开研究,并设计制备了一套基于液晶偏振光栅的大角度光束偏转系统。首先,本论文设计了马赫-曾德干涉仪式液晶偏振光栅曝光光路,用以解决传统制备光路难以制备长周期光栅的问题。研究中,提出了马赫-曾德干涉仪式液晶偏振光栅曝光光路,并完成了光路的设计与搭建,解决了传统光路制备长周期偏振光栅困难的问题。激光束经过小孔滤波后,被准直透镜准直,然后使用两个PBS对激光束进行分束和合束,并用一个1/2波片和一个1/4波片分别控制两束光的能量比和偏振态来实现圆偏振偏振全息。在第二个PBS下面安装精密转台控制两束正交圆偏振光的夹角,以控制制备的偏振光栅周期。使用此马赫-曾德式曝光光路成功制备了小至3μm大至500μm的液晶偏振光栅,衍射效率可达98%,解决了传统光路制备长周期偏振光栅困难的问题。其次,本论文研究了液晶偏振光栅的二级衍射问题,从液晶偏振光栅的理论模型和偏振全息光场角度分析了二级衍射光出现的原因。研究中,建立了出现二级衍射液晶偏振光栅的理论模型并分析了偏振光栅出现二级衍射的原因。通过实验发现存在二级衍射的偏振光栅在偏光显微镜下观察时有相邻条纹粗细不均的现象,表明在一个光栅周期内液晶分子不再是均匀排列。针对这种液晶分子非线性排列的偏振光栅,本论文建立了它的理论模型,并通过光栅矢量理论分析发现,确实存在二级衍射光,并计算了一级及二级衍射光效率随相邻条纹粗细比值的变化曲线,与实验现象相符。随后,通过研究液晶偏振光栅的偏振全息记录光场发现当两叠加光束的光强不等且偏振态不为圆偏振光时,所形成的偏振态光场的长轴不再是线性变化,由此光场取向的液晶分子也不再是线性排布,此时形成了偏光显微镜下观察到的粗细不均的光栅条纹。采用上述理论分析结果调节光路,有效抑制了偏振光栅的二级衍射现象。再次,针对传统主动式液晶偏振光栅响应速度慢的问题,本论文设计了基于混合排列液晶盒的双频液晶偏振光栅。研究中,提出了将混合排列液晶盒与双频液晶相结合的液晶偏振光栅结构,可在较低工作电压下(10(1)实现亚毫秒的响应速度。并在实验室基于5μm厚的液晶盒和双频液晶制备了混合排列的双频液晶偏振光栅,在不同电压和入射光偏振态下,其各级衍射效率均可达95%以上,并测得它的开启时间和关断时间分别为650μs和950μs。因此,混合排列的双频液晶偏振光栅可在较低工作电压下达到亚毫秒量级的响应速度。接着,利用所设计的混合排列液晶偏振光栅模型设计实现了能将一束光衍射成光束阵列的二维液晶偏振光栅。研究中,提出了二维液晶偏振光栅的混合排列模型,并利用琼斯矩阵与光栅矢量衍射理论相结合的方法推导了二维液晶偏振光栅的各级次的偏振特性、偏转角度和衍射效率公式。并在实验室实现了三种不同光栅矢量角的二维液晶偏振光栅,它们的二级衍射效率最高可达到90%。最后,在实用化系统的研究中,将所制备的液晶偏振光栅与液晶相控阵相结合实现了全电控的大角度高精度的光束扫描系统。具体为:提出了将液晶偏振光栅与液晶相控阵相结合的方法实现了二维的非机械的大角度高精度的光束偏转扫描系统。将多片液晶偏振光栅相累加,可实现一个大角度(±20~°)的一维光束偏转,然后再使用一套相同的液晶偏振光栅,光栅矢量旋转90~°放置,这样就可以实现二维的大角度光束偏转。为实现高精度的光束偏转,设计了分焦点式光路将该套偏振光栅与液晶相控阵串联,由液晶偏振光栅完成光束的粗偏转,并用液晶相控阵来填充液晶偏振光栅的偏转步长。基于此种方法实现了二维的视场角±20~°的高精度光束偏转系统。通过本论文的研究,有望将这种颇具竞争力的光学器件在激光雷达、激光通信、激光武器等领域实现实用化。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.3
【图文】：

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图 1. 1 使用庞加莱球表示的几何相位原理示意 1. 1 The principle of geometric phase shown in po设计两个半波片，使得两个半波片的快轴位原理，一束左旋圆偏振光分别经过两个个 ( 2 )的相位差。基于这种原理，目前[9]的排布结构已经可以设计出想要的几何的光学元件又被称为几何相位元件或者 Prry Optical Element）。

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图 1. 2 相位延迟片型几何相位元件的原理图. 2 The principle of geometric phase elements realized b的动态相位，几何相位具有三个不同的特性。何相位的几何参量有关。具体来说，几何相位方位角的两倍；或者说，几何相位由各向异性散此，任何一种空间变化的几何相位形状原理上性媒介来实现，这使得制备出极薄的薄膜光学同于传统的动态相位，几何相位大小对于入射位媒介来讲，产生0和（p为任意整数）的产生它们的几何相位媒介的方位角和形状是相

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【参考文献】